[发明专利]基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法

说明书

本发明公开了一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，属于高超声速飞行器推进系统设计领域。本发明在超燃冲压发动机燃烧室内设置台阶式燃料喷注结构，使得一小部分燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内，利用燃烧室内的高温实现点火，在可压缩湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，燃料平行喷注后形成的火焰在湍流边界层的边缘附近。本发明通过在燃烧室近壁边界层内形成稳定燃烧，利用放热效应可大幅降低湍流边界层内雷诺应力的原理以达到显著降低壁面摩擦阻力的目的。同时，合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置，使燃烧室内的壁面传热量不会显著增加，具有技术实现难度小、经济性好的优点。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器推进系统设计领域，涉及一种可有效降低超燃冲压发动机内流道摩擦阻力的流动控制技术，具体地说，是指一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法。

背景技术

超燃冲压发动机作为未来高超声速飞行器的理想动力装置，其技术发展已受到各国的高度重视。超燃冲压发动机实用化的一个技术难点是实现高的推阻比。目前的研究主要集中于提高超声速燃烧效率而增加推力的研究，从而催生了诸如超声速流动中的点火、火焰稳定、燃烧效率等相关研究；而对于降低阻力的研究则相对较少。在超燃冲压发动机内部摩擦阻力的构成中，燃烧室内由于其壁面的高剪切率使其摩阻可占发动机内总摩阻的一半左右。因此，通过流动控制技术降低超燃冲压发动机燃烧室内可压缩湍流边界层的壁面摩阻将会很大程度的提高发动机的推阻比。

超燃冲压发动机燃烧室内近壁区可压缩湍流边界层内的雷诺应力是造成高摩擦阻力的主要原因，若能发展一种可降低近壁湍流边界层内应力水平的技术则可有效降低摩擦阻力。国外学者Denman等利用大涡模拟(LES)技术开展的可压缩湍流边界层内放热效应数值模拟研究发现，放热效应可明显降低可压缩湍流边界层内的雷诺应力；Sarkar等通过对包含无限快氢/氧燃烧的自由混合层的直接数值模拟(DNS)研究认为，燃烧放热效应诱导湍流雷诺应力降低的物理机制主要在于放热导致平均密度的降低。以上研究表明，燃烧的放热效应可有效降低湍流边界层的雷诺应力水平。然而目前超燃冲压发动机燃烧室设计中出于防热的考虑，一般均在燃烧室远离壁面的空间内组织燃烧，因此无法利用燃烧的放热效应降低近壁边界层内的雷诺应力。如果能设计一种在可压缩湍流边界层内发生燃烧且不会显著增加壁面传热量的技术，则可利用燃烧放热效应降低超燃冲压发动机燃烧室壁面的摩擦阻力。

发明内容

本发明提出一种基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻技术，通过在燃烧室近壁边界层内形成稳定燃烧，利用放热效应可大幅降低湍流边界层内雷诺应力的原理以达到显著降低壁面摩擦阻力的目的。同时，合理控制燃烧火焰在湍流边界层内的位置，使燃烧室内的壁面传热量不会显著增加。

本发明提供的基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法，分以下步骤：

步骤1：在超燃冲压发动机燃烧室内主要燃料喷射位置下游利用台阶式燃料喷注结构，使得燃料平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内。

所述的台阶式燃料喷注结构设置在燃烧室内可压缩湍流边界层的靠近内部位置，在所述可压缩湍流边界层的壁面内，设置一个台阶入口，入口方向平行于壁面，使得燃料可以平行喷射入燃烧室壁面可压缩湍流边界层内。

步骤2：利用燃烧室内的高温实现点火，在湍流边界层内形成稳定的扩散燃烧火焰，燃料平行喷注后形成的火焰在湍流边界层的边缘附近。

湍流边界层内的燃烧放热效应可大幅降低壁面的摩擦阻力，同时不会对燃烧室壁面的放热带来明显不利影响。

本发明的优点在于：

(1)降低燃烧室内摩擦阻力效率高。典型的超燃冲压发动机燃烧室内流动状态下，湍流边界内燃烧的放热效应可令其作用区域的摩擦阻力降低60％～70％，这样可以有效提高超燃冲压发动机的推阻比。